[论文解读] Supercurrent diode effect and finite momentum superconductivity

Noah F. Q. Yuan, Liang Fu|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 39被引用 6

一句话总结

本文提出在具有Rashba自旋轨道耦合和反演对称性破缺的二维超导体中存在一种本征的超流二极管效应，其中面内磁场诱导出动量非零的库珀对。由此产生的非互易临界电流——正向与反向不相等——源于时间反演和空间反演对称性的破缺，使得在FF转变点附近实现完美的二极管，其二极管系数δ = −1。

ABSTRACT

When both inversion and time-reversal symmetries are broken, the critical current of a superconductor can be nonreciprocal. In this work we show that in certain classes of two-dimensional superconductors with antisymmetric spin-orbit coupling, Cooper pairs acquire a finite momentum upon the application of an in-plane magnetic field, and as a result, critical currents in the direction parallel and antiparallel to the Cooper pair momentum become unequal. This supercurrent diode effect is also manifested in the polarity-dependence of in-plane critical fields induced by a supercurrent. These nonreciprocal effects may be found in polar SrTiO$_3$ film, few-layer MoTe$_2$ in the $T_d$ phase, and twisted bilayer graphene in which the valley degrees of freedom plays the role analogous to spin.

研究动机与目标

• 建立具有反演对称性和时间反演对称性破缺的二维超导体中超流二极管效应的微观理论。
• 证明由面内磁场诱导的动量非零库珀对可导致非互易临界电流。
• 表明超流二极管效应是库珀对动量q₀的直接结果，该动量破坏了时间反演和空间反演对称性。
• 识别极性SrTiO₃、少层Td相MoTe₂以及扭转双层石墨烯等材料作为该效应的潜在实现平台。
• 为通过非互易输运现象检测螺旋形超导性提供理论框架，该现象与传统FFLO态有明显区别。

提出的方法

• 使用哈密顿量Hₖ = ξₖ + gₖ·σ + B·σ，对具有Rashba自旋轨道耦合和面内磁场的二维电子气进行建模，该哈密顿量使费米面分裂为自旋非简并的准粒子口袋。
• 利用Gorkov-Nambu形式化方法推导超流，将电流表示为序参量Δ(r) = Δe^{i q·r}（具有非零动量q）的泛函。
• 分析临界电流J_c随库珀对动量q的变化关系，表明由于在q₀处自由能展开的不对称性，导致J_c⁺ ≠ J_c⁻。
• 通过在FF基态q₀附近对自由能α_q进行三阶展开，证明存在强烈不对称性，从而导致二极管行为。
• 利用从贝塞尔函数导出的特殊函数F(x)计算二极管系数δ = (J_c⁺ − J_c⁻)/(J_c⁺ + J_c⁻)，表明在三临界点处δ → −1。
• 证明在FF转变附近，当B = B*且T < T*时，系统成为完美的二极管，此时δ = −1。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有动量非零库珀对的二维超导体中，能否本征地出现超流二极管效应？
• RQ2 在面内磁场存在下，临界电流如何依赖于相对于库珀对动量q₀的方向？
• RQ3 在反演对称性和时间反演对称性破缺的超导体中，非互易临界电流的起源是什么？
• RQ4 超流二极管效应能否作为螺旋形超导性与FFLO态有明显区别的明确特征？
• RQ5 此类系统中可实现的最大二极管系数是多少？在何种条件下可达到完美状态（δ = −1）？

主要发现

• 超流二极管效应源于具有Rashba自旋轨道耦合的二维超导体中，由面内磁场诱导的动量非零库珀对。
• 临界电流具有非互易性：J_c⁺ ≠ J_c⁻，其差异源于在基态FF相q₀附近的自由能景观不对称性。
• 在三临界点（B = B* 且 T < T*）附近，二极管系数达到δ = −1，表明此时超流无法沿q₀反向流动，实现完美二极管行为。
• 该效应在FF转变附近最为显著，此时自由能展开在q₀附近表现出强烈的三阶不对称性。
• 临界电流的不对称性直接关联于库珀对动量q₀ ∝ B，该动量由Zeeman场诱导，并调制序参量的相位。
• 该效应在极性SrTiO₃、少层Td相MoTe₂以及扭转双层石墨烯等材料中具有鲁棒性，其中谷自由度可模拟自旋自由度。